用GAL配合ISA總線(xiàn)模擬I2C總線(xiàn)時(shí)序實(shí)現對FI1256MK2的編程

FI1200 MK2系列電視信號前端處理器是飛利浦公司專(zhuān)為計算機多媒體環(huán)境下的射頻應用而設計的。FI1256 MK2是該系列中的一個(gè)型號，它體積小，結構緊湊，性能穩定，可直接從射頻信號解調出視頻信號和音頻信號，且只需單一5V電源，因而可在圖文電視接收、有線(xiàn)電視信號自動(dòng)監測等許多場(chǎng)合得到廣泛的應用。筆者曾用它開(kāi)發(fā)出圖文電視接收卡、電視信號檢測系統等多種設備。

FI1256 MK2可通過(guò)I2C串行總線(xiàn)接口進(jìn)行編程控制。當使用單片機進(jìn)行編程控制時(shí)，帶有I2C接口的單片機可以與FI1256 MK2直接連接，沒(méi)有I2C接口的單片機可以用I／O口線(xiàn)模擬I2C總線(xiàn)的時(shí)序。但是FI1256 MK2在計算機擴展卡中使用時(shí)，為了節省成本，通過(guò)計算機的總線(xiàn)直接對其進(jìn)行編程控制時(shí)，就需要用計算機的總線(xiàn)模擬出I2C總線(xiàn)的時(shí)序。本文給出了用可編程邏輯器件GAL配合ISA總線(xiàn)模擬I2C總線(xiàn)時(shí)序來(lái)對FI1256 MK2進(jìn)行控制的方法。該方法與PCI總線(xiàn)進(jìn)行模擬的方法相類(lèi)似。

1 I2C總線(xiàn)操作方式

I2C總線(xiàn)是被廣泛應用的串行多主控器總線(xiàn)，它可以讓多個(gè)有控制總線(xiàn)能力的器件連接到總線(xiàn)上。I2C總線(xiàn)通過(guò)串行數據（SDA）和串行時(shí)鐘（SCL）兩條線(xiàn)使連接在該總線(xiàn)上的器件進(jìn)行數據傳輸，每個(gè)器件的識別由一特定地址確定。除了作為發(fā)送器和接收器外，該器件還可以被設定為主控器和被控器。主控器用于啟動(dòng)總線(xiàn)上的數據發(fā)送，并產(chǎn)生數據傳輸所需的時(shí)鐘信號，其他被尋址的器件均認為是被控器。SDA線(xiàn)和SCL線(xiàn)都是雙向傳輸線(xiàn)，它們各通過(guò)一個(gè)上拉電阻連接到正電源。當總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)時(shí)，兩條線(xiàn)均處于高電平。連接到總線(xiàn)的器件輸出級必須是集電極開(kāi)路或漏極開(kāi)路，以用來(lái)產(chǎn)生“線(xiàn)與”功能便于多個(gè)器件的接入。在標準方式下，I2C總線(xiàn)上的數據傳輸速率可達100kbps，在快速方式下則可達到400kbps。連接到總線(xiàn)上的器件數量只受400pF的總線(xiàn)電容的限制。進(jìn)行數據傳輸時(shí)，SDA線(xiàn)上的數據在SCL為高電平期間必須是穩定的，只有在SCL線(xiàn)上的時(shí)鐘信號為低時(shí)，數據線(xiàn)上的狀態(tài)才可以改變。當SCL線(xiàn)保持高電平時(shí)，通常把SDA線(xiàn)上由高到低和由低到高的電平變化分別定義為開(kāi)始條件和停止條件。主控器啟動(dòng)數據傳輸時(shí)，總是先給出開(kāi)始條件，然后傳輸若干字節的數據，最后給出停止條件以結束一次數據傳輸過(guò)程。圖1是帶有開(kāi)始和停止條件的只傳輸一個(gè)字節的總線(xiàn)時(shí)序。

2 模擬I2C總線(xiàn)時(shí)序

可編程邏輯器件是近二十年發(fā)展起來(lái)的專(zhuān)用集成電路的一個(gè)分支，是設計新型數字系統的理想器件。它不僅速度快，集成度高，而且具有用戶(hù)可定義的邏輯功能，有的還可以加密，并可以重復編程，因此，它不僅能適應各種應用需要，而且可以大大簡(jiǎn)化硬件系統，降低成本，提高系統的靈活性、可靠性和保密性，所以，近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展。在各種可編程邏輯器件中，以CPLD功能最為強大，但價(jià)格較高，使用也較為復雜。而GAL不但有相當強的功能和足夠的靈活性，而且編程控制容易（可使用普通的編程器），價(jià)格很低，接近通用集成電路，故在數字邏輯不是非常復雜的系統中使用GAL是非常合適的。

用計算機的ISA總線(xiàn)對FI1256 MK2進(jìn)行編程控制時(shí)，可以將FI1256 MK2作為一個(gè)外設，然后用兩根數據線(xiàn)模擬SCL和SDA。需要注意的是：由于計算機速度高，總線(xiàn)周期短，達不到I2C總線(xiàn)的定時(shí)要求，因此要在總線(xiàn)周期過(guò)后進(jìn)行延時(shí)，這樣總線(xiàn)上出現的高阻狀態(tài)或與其它設備的通信數據就會(huì )破壞I2C的時(shí)序，所以應將SDA和SCL的狀態(tài)鎖存，以滿(mǎn)足I2C總線(xiàn)的定時(shí)要求。圖2是用GAL實(shí)現ISA與I2C接口電路的設計方案。由于對FI1256 MK2的操作一般只是寫(xiě)入編程控制字節，因此，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，該電路只用來(lái)實(shí)現將計算機作為主控器的寫(xiě)操作時(shí)序。

圖2中，撥碼開(kāi)關(guān)K用以設定作為計算機外設的FI1256 MK2的地址，U1用于計算機訪(fǎng)問(wèn)外設時(shí)地址的譯碼，U2則用于實(shí)現用ISA總線(xiàn)的兩條數據線(xiàn)模擬I2C總線(xiàn)時(shí)序。下面給出兩片GAL的邏輯方程（以FAST－MAP格式書(shū)寫(xiě)），并對照方程簡(jiǎn)要說(shuō)明電路所實(shí)現的功能。

通過(guò)以上方程可使U1完成地址的譯碼功能。當ISA總線(xiàn)上出現的外設地址與撥碼開(kāi)關(guān)設定的地址相匹配時(shí)，在其地址有效輸出端ADDR上將得到高電平。由于GAL最多只能有8個(gè)或項，所以方程中使用了ADD1和ADD2兩個(gè)中間運算結果，他們被當作反饋信號在GAL內部重新引到輸入端。使用AEN信號是為了在DMA周期內屏蔽總線(xiàn)上出現的地址。

U2的時(shí)鐘信號是由地址ADDR和外設寫(xiě)信號IOW的引入是為了消除總線(xiàn)上出現訪(fǎng)問(wèn)內存的信號，同時(shí)利用其上升沿鎖存數據。SCL和SDA可分別用數據線(xiàn)D0和D1模擬。當一個(gè)外設寫(xiě)周期過(guò)后，D0和D1的數據將鎖存在SDA和SCL上，而在下一個(gè)對相同外設地址的外設寫(xiě)周期到來(lái)之前是不變的。這就使得I2C總線(xiàn)的時(shí)序可以在D0和D1兩根數據線(xiàn)上通過(guò)間隔輸出數據的方式獲得。

節 通過(guò)分析圖1給出的數據傳輸格式，可以把傳送的數據流劃分為三種傳送狀態(tài)，即傳送起始信號、傳送終止信號和傳送一個(gè)字節（后面帶一個(gè)應答位）。不同的數據過(guò)程只是寫(xiě)入的數據字節數目不同。只要模擬軟件能實(shí)現上述三種傳送狀態(tài)，就可以模擬出任何的主控器寫(xiě)操作過(guò)程。因此可以用下列子程序分別實(shí)現上述三種傳送狀態(tài)。

（1）字節傳送子程序

由于SCL和SDA是用D1和D0模擬的，所以，只要往設定的I／O地址傳送相應的數據就可以模擬傳送不同的數據字節。為了保證數據的可靠傳輸，I2C總線(xiàn)規范對總線(xiàn)上的時(shí)序作了嚴格的規定。實(shí)驗證明，ISA總線(xiàn)上信號的上升沿和下降沿都在10ns以?xún)?，完全可以滿(mǎn)足I2C總線(xiàn)對上升沿與下降沿的要求，所以不需考慮信號的上升與下降時(shí)間，而只需考慮信號的建立和保持所需的時(shí)間即可。

根據對I2C的定時(shí)要求，可以在SCL低電平的中點(diǎn)將信號進(jìn)行分割，并把一個(gè)字節數據分為8個(gè)比特來(lái)分別進(jìn)行傳送（傳送0和1分別用兩個(gè)子程序實(shí)現），從而使SDA線(xiàn)上的數據變化總是處在SCL低電平的中點(diǎn)。圖3所示是傳送一比特數據的定時(shí)時(shí)序圖。

由于在對FI1256 MK2的操作過(guò)程對實(shí)時(shí)性要求不是太高，所以可以使傳送一比特數據的三個(gè)狀態(tài)都持續5．0μs，這樣，就可以滿(mǎn)足所有的定時(shí)要求。把圖3中的兩個(gè)定時(shí)圖進(jìn)行組合即可傳送任意的數據字節。在每個(gè)數據字節的8比特數據后，都會(huì )在SCL上送出一個(gè)時(shí)鐘周期而讓SDA保持高電平，以使FI1256 MK2送出應答信號。應答信號定時(shí)圖與圖3（a）相同。

（2）起始信號和終止信號模擬子程序

起始信號和終止信號實(shí)際上是SCL為高電平期間在SDA上出現一個(gè)由高到低或由低到高的變化。起始信號和終止信號的定時(shí)圖如圖4所示。操作時(shí)，往D1和D0送相應的數據即可模擬此定時(shí)圖，從而實(shí)現I2C總線(xiàn)傳輸的起始和終止。

3 FI1256 MK2的功能與控制

FI1256 MK2在輸入75Ω射頻信號時(shí)可以直接解調出峰－峰值為1V的視頻信號和聲音信號（同時(shí)給出第二伴音中頻信號）。輸入射頻信號可從49．75MHz無(wú)縫覆蓋至863．25MHz，其中包括所有增補頻道。其調諧和波段切換均可通過(guò)內置的I2C總線(xiàn)接口進(jìn)行。由于內建了直流－直流變換器，故只需單一5V電源即可，由此可見(jiàn)，FI1256 MK2是真正的5V器件，簡(jiǎn)化了外圍電路的設計。

對FI1256 MK2的控制有讀和寫(xiě)兩種模式。寫(xiě)模式可將調諧信息通過(guò)I2C總線(xiàn)寫(xiě)入，而讀模式則可以讀出內部鎖定狀態(tài)。一般只使用寫(xiě)模式，寫(xiě)模式時(shí)需寫(xiě)入5個(gè)字節，可用于設置地址、鎖相環(huán)、調諧速度、調諧步長(cháng)、工作模式、波段和編程頻率。寫(xiě)模式下的編程方式有以下四種：

其中，前兩種用于在所有頻道間調諧，后兩種用于在同波段內的頻道間調諧。各種編程方式的不同點(diǎn)在于寫(xiě)入字節數的區別，只要按照I2C時(shí)序的要求將給定的字節依次寫(xiě)入即可實(shí)現編程控制。

可編程邏輯器件的應用是數字電路的設計方向。實(shí)際應用證明，GAL的功能與靈活性對于一般的數字電路系統是非常合適的，它不但能有效地提高系統的可靠性和保密性，而且可以降低成本，提高系統的靈活性。